微细车铣铝合金的表面粗糙度实验研究
微细轴类零件的加工一般采用微细车削工艺进行，而车铣加工工艺复合了铣削和车削两种工艺方法，与车削相比，具有切削速度大、切削效率高、加工表面粗糙度和精度好、径向切削力小、切削振动小等优点。

它从根本上解决了微细轴类零件车削加工时切削线速度低的问题，可以实现工件低速旋转状态下的高速切削加工，被证明是一种优于车削工艺的微细轴类加工方法。

精加工后的表面粗糙度值对零件各项性能，如装配精度、耐磨蚀性、接触刚度影响大，尤其对于自身几何尺寸微小的轴类零件，表面粗糙度更是不容忽视。

研究微细车铣加工工艺下各工艺参数对微小型轴类零件表面粗糙度的影响，有较重要的现实意义和实用意义。

本课题对钛合金进行微细正交车铣的表面粗糙度实验研究。

钛合金因具有密度小，比强度高、热强度高、抗蚀性好等优良性能，在航空航天医疗化工等领域得到广泛的应用。

但钛合金的化学活性大、导热系数低、弹性模量小的这些特性，又使其加工性能较差，表现为加工刚性差、弹性变形大，刀具与工件易发生亲和作用而导致磨损加剧。

单位面积切削力大，从而引起崩刀，切削热不易散发，加工冷硬现象严重，因此钛合金因其优异的综合性能而越来越多地被用于制作微小型零件，从而使得对钛合金进行微细切削加工的技术研究越来越迫切。

微细正交车铣的理论表面粗糙度
微细切削加工时正交车铣的主运动的旋转运动，进给运动为工件的旋转运动和铣刀的轴向进给。

正交车铣零件的表面则是由铣刀和工件组成的复合运动包络形成的，其截面理论残留高度如下图所示
正交车铣外圆面的理论残留高度的计算模型如图所示。

有图可得到车铣外圆的截面理论残留高度
式中，Rz是工件的已加工表面沿圆周方向相邻两齿切削后的截面理论残留高度。

式即为正交车铣工件截面理论残留高度的计算公式。

从式可以看出，工件的截面理论残留高度随着z的增大而减小。

截面理论残留高度仅是车铣理论粗糙度的一个组成部分，不能代表理论粗糙度的全部，除此之外车铣理论粗糙度还包括每齿切削的微小平面度、轴线方向侧母线的微观和宏观平面度等。

所以实际车铣形成的表面粗糙度不仅受铣车转速比和齿数z的影响，还充分考虑其他工艺参数，如工件主轴转速、轴向进给速度、切削深度以及刀具磨损、工艺系统振动对表面粗糙度的影响，必须通过试验的方法对影响表面粗糙度的工艺参数进行结果分析和研究。

基于二次响应曲面法的微细正交车铣表面粗糙度试验
工件材料为直径4mm的钛合金TC4棒料。

钛合金易与含碳的刀具材料亲和形成TiC,造成刀具切削性能下降，因此不宜选用含碳的YT类硬质合金刀片，而选用YG6X硬质合金作为微细车铣用立铣刀材料，刀具直径为2mm。

表面粗糙度的测量采用表面粗糙度仪（时代TR240）进行。

根据预先试验方案，确定零水平下车削主轴转速n=100r/min，铣车转速比=60，轴向进给量为f=15um/r，切削深度ap=30um,，铣刀齿数z=3，根据以上参数可进行切削速度和进给量的计算。

对上述四个变量，即车削主轴转速（X1）、铣车转速比（X2）、轴向进给量（X3）、切削深度（X4）分别进行标准化编码后得到因素水平编码表。

通过实验可得结论如下：
（1）铣车转速比从图中可以看出，铣车转速比对微细车铣表面粗糙度的影响较大，且表面粗糙度值随铣车转速比的增大而增大，这与前述正交车铣表面粗糙
度值理论不一致。

综合分析实验过程发现，这主要是受微细切削条件及钛合金
材料特性影响。

如要在钛合金切削加工中保持较低的切削速度，而增大铣车转
速比，就意味着要提高铣刀转速，即增大切削速度。

微细切削条件下，刀屑接
触区域比常规接触区域更为狭小，单位面积上的切削应力急剧增加，热量就更
加集中，加上钛合金导热系数小，热量不易散发，那么较大的切削速度会使局
部温度过高，刀具参与切削部分的材料在高温下切削性能降低，而且钛合金在
高温下极易与氧、氢、氟发生作用，在表面产生加工硬化层，从而使得整个切
削过程更加不利，是刀具切入切出时的挤压磨损加剧，直接导致表面粗糙度值
的增加。

（2）主轴转速试验范围内主轴转速。

实验结果表明：表面粗糙度值随主轴转速的增加而增加。

车削主轴转速即工件转速相当于铣刀在工件圆周方向的每齿进
给量。

随着主轴转速的提高，表面粗糙度值急剧增加；在相同铣车转速比下，主轴转
速的增加意味着铣削速度的增加，根据铣削速度的分析可知铣削速度的提高同
样会导致表面粗糙度值随主轴转速增加而增加的结果
（3）轴向进给量试验范围内，较小的轴向进给量反而会使表面粗糙度值略有增加，这是因为对于车铣加工，在车铣主轴转速一定的情况下，轴向进给量较小
就意味着铣刀在工件表面停留时间较长，而导致刀具在附近点反复切削、刮擦、
使表面粗糙度值增加。

有关文献也认为，轴向进给量应与适当的切削转速配合
才能达到满意的效果。

综合比较铣车转速比主轴转速的影响，可以认为轴向进
给量对表面粗糙度的影响不大。

（4）切削深度总体来说，切削深度对表面粗糙度的影响不大，但较大的切削深度会得到较好表面粗糙度值，如图所示。

这是因为较大的切削深度有利于避开钛
合金高温下产生的加工硬化层，使切削条件略有改善。

基于二次响应曲面法进行了微细车铣钛合金表面粗糙度实验研究，并得出了各工艺参数影响表面粗糙度的拟合方程。

显著性检验表明该模型在实验条件内有较高置信度和实用性，预测精度高，拟合结果与实际结果重合度较高，但必须注明该模型的适用范围。

实验条件下的综合比较可知，微细车铣钛合金试验中对表面粗糙度影响从大到小依次为铣刀转速比、车削主轴转速、轴向进给量、切削深度。

即试验条件下，较小的铣刀转速比和主轴转速可以得到较好的表面粗糙度，轴向进给量和切削深度对表面粗糙度值的影响较小，这是由微细切削的条件和钛合金材料的特性决定的。